(57)【要約】【課題】エンジンの低負荷域においてＨＣＣＩ燃焼を引き起し、超希薄燃焼を可能にして大幅な高効率化及び超低ＮＯｘエミッションを実現すること。【解決手段】ローターハウジング内周面に開口する排ガス再吸入路１３に排ガス制御弁１４を備え、更に吸気通路６に吸気制御弁８を備えてエンジンの低負荷域では排ガス制御弁１４を開いて多量の排ガスを作動室４内に導入すると共に吸気制御弁８を閉じて有効圧縮比を高め、以ってＨＣＣＩ燃焼を引き起す。エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によってＨＣＣＩ燃焼と火花点火燃焼とを切り換える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターハウジング及びサイドハウジングにより囲まれた空間内にローターを収納して吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を行なうロータリピストン機関において、前記ローターハウジング内周面に開口する排ガス再吸入路に排ガス制御弁を備え、更に作動室内に吸気を導入する吸気通路に吸気制御弁を備え、エンジンの低負荷域では前記排ガス制御弁を開いて多量の排ガスを作動室内に導入すると共に、前記吸気制御弁を閉じて有効圧縮比を高め、以って予混合圧縮着火燃焼を引き起し、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によって予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を特徴とする高効率ロータリピストン機関。
【請求項２】
点火プラグを４個以上備えた請求項１記載の高効率ロータリピストン機関。
【請求項３】
ローターハウジング及びサイドハウジングにより囲まれた空間内にローターを収納して吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を行なうロータリピストン機関において、前記ローターハウジング内周面に開口する排ガス再吸入路に排ガス制御弁を備え、エンジンの低負荷域では前記排ガス制御弁を開いて多量の排ガスを作動室内に導入し、以って予混合圧縮着火燃焼を引き起し、かつ点火プラグを４個以上備え、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によって予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を特徴とする高効率ロータリピストン機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は多量の排ガスを再吸入して圧縮開始・圧縮端温度を上昇させ、以って予混合圧縮着火燃焼を引き起して熱効率を改善する高効率ロータリピストン機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】一般にロータリピストン機関では作動室内に吸入した吸気（混合気）を圧縮して点火プラグにより着火させ、これを火炎伝播によって燃焼を完結する様にしており、出力は吸入吸気を吸気絞り弁により絞る事によって制御している。従って最初に燃焼した部分は後から燃焼した部分によって断熱圧縮されるから、燃焼温度が高くなり、多量のＮＯｘが発生すると共に冷却損失が増大する。かつ吸気絞りによってポンプ損失が増加し、熱効率が悪化する。しかも極低負域では残留ガスの影響を受けて燃焼が不安定で希薄燃焼が困難である（点火プラグによる火花着火燃焼が困難）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】本発明の目的は、多量の排ガスを再吸入する事によって圧縮開始及び圧縮端温度を高めて予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）を引き起し、これにより点火プラグでは燃焼させ得ない（超）希薄混合気を燃焼させる事にある。この希薄燃焼法は吸気を絞る必要がない低温の燃焼法であるから、ポンプ損失がなくなって冷却損失が減少する結果、大幅な高効率化を達成できるものである。更には火炎伝播によらない圧縮自着火による燃焼法であるから、ＮＯｘの発生が殆どない燃焼法である。以上の如く熱効率の大幅な向上及び超低ＮＯｘエミッションを目的とする。
【課題を解決する為の手段】
【０００４】本発明は上記課題を解決する為、ローターハウジング内周面に開口する排ガス再吸入路に排ガス制御弁を備え、作動室内に吸気を導入する吸気通路に吸気制御弁を備え、エンジンの低負荷域では排ガス制御弁を開いて多量の排ガスを作動室内に導入すると共に吸気制御弁を閉じて有効圧縮比を高め、以って予混合圧縮着火燃焼を引き起し、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によって予混合圧縮燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を実行する様にした。
【発明の効果】
【０００５】本発明によればエンジンの低負荷域では排ガス再吸入路１３から高温の排ガスを多量に作動室内に導入しており、更に１５位の高圧縮比（図３では１３位であるが、従来よりは高圧縮比である）の効果と相まって圧縮端温度が非常に高くなり、容易にＨＣＣＩ燃焼を引き起す事ができる。このＨＣＣＩ燃焼は火炎伝播を伴わない低温の急速燃焼の一形態で、超希薄燃焼が可能であり、冷却損失やポンプ損失が少なく比熱比が大きい為、高効率運動が可能である。かつＮＯｘの発生を殆ど０に抑える事ができる特長を有する。更に本発明では排ガス制御弁１４又は吸気制御弁８の開度を調整する事により圧縮端温度を制御できるから、困難とされるＨＣＣＩ燃焼そのものを制御する事が可能となり、熱効率を更に高め、ＨＣＣＩ燃焼領域を拡大する事ができる。
中・高負荷域では火花点火燃焼に切り換えるが、この領域では圧縮比に対し膨張比の方が高いサイクルとなるから熱効率が大幅に向上する。
【発明を実施する為の形態】
【０００６】図１は本発明による高効率ロータリピストン機関で、ローター１はローターハウジング２とサイドハウジング３により囲まれた空間内に収められ、偏心軸（レシプロ機関のクランク軸に相当）及び位相歯車により公転・自転し、吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を行なう。ロータリピストン機関としては唯一実用化されたバンケル機関を示すものである。
７は吸入吸気を絞って出力を制御する吸気絞り弁、１２は触媒コンバーター、９は吸気制御弁８を駆動するアクチュエーター、１５は排ガス制御弁１４を駆動するアクチュエーターである（吸気絞り弁７もアクチュエーターにより駆動する事が望ましい）。電子制御ユニット１７（以下ＥＣＵ）はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入・出力ポート等から成るマイクロコンピューターを中心として構成され、これらは、双方向性バスによって相互に接続をされている。ＥＣＵ１７にはエンジンの運転状態の把握に必要なパラメーター用の各種センサー（例えばローター１を支持する偏心軸の回転角を検出する回転角センサー、エンジン回転速度センサー、アクセル開度を検出するアクセルセンサー、エンジン吸入吸気流量センサー、エンジン冷却水温を検出する水温センサー、大気圧センサー、Ｏ２センサー、ノックセンサー等）からの各信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。又、出力ポートは燃料噴射弁１０、点火プラグ１６、アクチュエーター９、１５等と各々対応する駆動回路を介して接続され、各々の制御信号を送信する。ＲＯＭには燃料噴射弁１０の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン、点火プラグ１６への通電を制御する為の制御ルーチン等のエンジンを制御する為の制御ルーチンやそれらに用いられる制御値を含むマップが記憶されている。ＣＰＵはＲＯＭに記憶されているアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料の噴射制御、点火時期制御等を実行する。
作動室４内に吸気通路５、６から吸入された吸気（混合気）は圧縮された後には自着火又は点火プラグ１６により点火されて燃焼し、膨張して仕事を為した上で排気通路１１から排出される。ローターハウジング２の内周面（ローター１のアペックスシールの摺動面）に開口する排ガス再吸入路１３には排ガス制御弁１４が備えられ、吸入行程中の作動室４内に導入される排ガス再吸入量を調整する。エンジンの始動時は排ガス制御弁１４は閉じており、点火プラグ１６によりエンジン始動が為される。
エンジン暖機後の低負荷域では排ガス制御弁１４は開、吸気通路６に備えられた吸気制御弁８は全閉となっており、従って吸気行程中にある作動室４内には多量の排ガス（既燃ガス）が導入され（排ガス再吸入路１３のローターハウジング内周面への開口部がローターの回転方向に進んだ位置にあるほど、より多量の排ガスが導入される）、圧縮始めの作動室内ガス温度は高くなる。かつ吸気制御弁８は閉じているから圧縮はローター１により吸気通路５の開口部が閉鎖された時点から始まり、吸気通路６から吸入側へ押し戻されない為、圧縮比は例えば１５位と高圧縮比となる（吸気制御弁８を開くと作動室４内の吸気は吸入側へ一定量押し戻されて圧縮比は低下し、例えば１２位となる）。
この時、圧縮比が１５の時は膨張比も同じく１５となる。以上の如く多量の排ガス再吸入量と１５位の高圧縮比の効果と相まって圧縮端温度は非常に高くなり（１０００Ｋ以上）、容易に予混合圧縮着火燃焼を引き起す事ができる（予混合圧縮着火燃焼法でも均質な混合気を用いるＨＣＣＩ燃焼法がより低ＮＯｘなので好ましく、以下ＨＣＣＩ燃焼法を採用するものとする）。ＨＣＣＩ燃焼法では燃焼の制御が重要であり、燃焼発生が圧縮上死点から大きく外れるとノッキングや失火の原因となる。従って燃料噴射量が増して燃焼圧力上昇率が高くなってノッキングに近い状態になると、ノックセンサーがこれを検出して（他に点火プラグ周辺のイオン電流を測定し、電流値の上昇により判断するセンサーもあり）ＥＣＵ１７は排ガス制御弁１４の開度が小さくなる様に指令して排ガス再吸入量を減少させ、圧縮始め及び圧縮端温度を低下させてノッキングを防止する様に制御するのである。又は、ＥＣＵ１７は吸気制御弁８の開度を増す様に指令して圧縮始め初期の作動室内ガスを吸気通路６から所定量吸入側へ押し戻し、圧縮比（有効圧縮比）を近似的に下げてノッキングを防止する様に制御する（有効圧縮比は１２までは下げられる）。
ＨＣＣＩ燃焼領域では吸気絞り弁７は原則として全開とするが、その開度を調整して吸気吸入を制御（これにより排ガス再吸入量が調整される）する様にしても良い。以上の如く吸気制御弁８、排ガス制御弁１４の開度を調整する事によりＨＣＣＩ燃焼領域における燃焼を制御する事ができ、熱効率を向上させ、ＨＣＣＩ燃焼領域を拡大する事ができる。
ＨＣＣＩ燃焼法は低温の希薄燃焼であるから、冷却損失やポンプ損失が少なく高効率運転が可能である。エンジンの中・高負荷域ではＨＣＣＩ燃焼法では燃焼圧力上昇率が過大となるので、点火プラグによる火花点火燃焼に切り換えるが、これはエンジンの負荷、回転速度などの運転条件によってＥＣＵ１７が実行する。この領域では吸気制御弁８は全開となり、従って圧縮行程の初期には吸気通路６を介して作動室４内のガスが一定量吸入側へ押し戻され、圧縮比は例えば１２と低圧縮比になり（但し、膨張比は１５位と高い）、ノッキングの発生は抑えられる。
又、この火花点火燃焼領域では排ガス制御弁１４は全閉となり、原則として排ガスの再循環は行なわれない（ＮＯｘ低減の為に若干開いても良い）。圧縮比に対し膨張比の方が高い領域であるから、熱効率の大幅な改善が可能である。ＨＣＣＩ燃焼領域ではＮＯｘの発生は殆どないが、火花点火燃焼領域では多量に発生し、これは理論混合比として三元触媒により浄化する。尚、吸気制御弁８の開度を調整する事により有効圧縮比を近似的に可変化できるから（１２〜１５）、エンジン暖機中はこれを例えば１４として燃焼の安定化を図っても良い。
【０００７】図１では吸気通路を二分割して吸気通路６に吸気制御弁８を備えていたが、図２（イ）の如く一本化した吸気通路１８とし、この吸気通路１８に吸気制御弁１９を備えても良い。吸気制御弁１９はＡ方向から見た断面を示す図２（ロ）の如くその先端部はサイドハウジング３の内壁面から微小ギャップ（０．１ｍｍ位）だけ引っ込んだ位置にあってこれが全閉状態であり、この領域（ＨＣＣＩ燃焼領域）では圧縮比は１５位となり、吸気制御弁１９が全開してサイドハウジング内壁面から離れて外側へ引っ込むと（火花点火燃焼領域）、作動室内のガスは圧縮行程において一定量吸気通路１８内へ（吸入側へ）押し戻されるから、圧縮比は１２位と低圧縮比となる。吸気制御弁１９の中間開度では圧縮比は１２から１５まで近似的に可変圧縮比となる。図２（ハ）は、図１において吸気通路６をローターハウジングに形成したものに相当する実施例である。図は吸気制御弁２１が全閉の状態であるが、全閉の状態では吸気制御弁２１の先端部はローターハウジング２の内周面から微小ギャップ（０．１ｍｍ位）引っ込んだ位置にあり、これによりローター１のアペックスシールが通過してもその前後が連通状態となる事はない。図２（ニ）は図１において排気通路１１と排ガス再吸入路１３とを一体とした構造に相当する実施例で、排ガス制御弁２２はこれに適合した構造を有するものである。即ち、図は排ガス制御弁２２を全開とした状態であるが、排ガスは排ガス制御弁２２の下流部に形成される排ガス再吸入路２３を経て吸入行程にある作動室４内へ再吸入される。排ガス制御弁２２を全閉とすれば、ローターハウジング２の内周面から０．１ｍｍ位微小ギャップだけ引っ込んだ位置にあり、これによりローター１のアペックスシールが通過してもその前後が連通状態になる事はない。排ガス制御弁２２が中間開度にある時は排ガス再吸入量もそれに応じて制御される。図１では点火プラグ１６は２個備えているが、図２（ホ）に示す実施例は一方のサイドハウジングに２個備えて合計４個としたもので、その分必要とされる火炎伝播距離が短かくて済み、燃焼期間の短縮化により急速燃焼が可能であり、熱効率が向上する効果がある。更にもう一方のサイドハウジングにも点火プラグを２個備えて合計６個とすると、より一層燃焼期間が短縮され、熱効率が向上する。又、これにより点火時期を遅角化することも可能となり、ＮＯｘの発生を抑え込む事ができる（上死点又はそれ以降の点火時期としてＮＯｘを完全に０とする事もできる）。
【０００８】図１、２では吸気制御弁８（１９）の開度を制御して（有効）圧縮比を可変化していたが、圧縮比を可変化せず常に一定としてＨＣＣＩ燃焼を引き起し、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件により火花点火燃焼に切り換える様にする事もできる。即ち、図３においてローター１により吸気通路２４が閉鎖された時点から圧縮が始まり、この時の圧縮比は常時一定である（例えば１３と一定、膨張比も１３と一定）。エンジンの低負荷域では排ガス制御弁１４は開いており、従って図１で説明した通り排ガス再吸入路１３から多重の排ガスが作動室４内に再吸入され、圧縮始め及び圧縮端温度を大幅に上昇させ、ＨＣＣＩ燃焼を引き起し易くする（圧縮１３は従来に対しては十分に高圧縮比である）。中・高負荷域では排ガス制御弁１４は全閉とし（ＮＯｘ低減の為、若干開いてたＧＲを行なっても良い）、点火プラグによる火花点火燃焼に切り換える。
この領域ではノッキングを防ぐ事が重要であり、圧縮１３は少し高いので、ノッキングを防ぐ為に点火時期を遅角化するが、それによる熱効率の低下を回避する為に図示の如く点火プラグ１６を４〜６個と、４個以上備えて急速燃焼を達成する様にする（これは既に図２（ホ）で述べた）。
火花点火燃焼領域で発生するＮＯｘは理論混合比を用いて三元触媒で浄化する事ができる。
【０００９】一般にロータリピストン機関では吸入吸気はローターハウジング２の短軸方向から流れて来て作動室４内に流入するので、スワールが形成されず良好な燃焼が得られない。この欠点を解消するには、図４（イ）の如く吸入吸気がローターハウジング２の長軸方向（Ｙ方向、短軸方向はＸ方向）から流れて来て作動室４内に流入する様に吸気通路２５を形成すれば良い。こうするとＢ方向から見た断面を示す図４（ロ）の如く、吸入吸気は作動室４内に流入すると、ローターハウジング２の内周面に衝突して向きを斜めにサイドハウジング３の方向に変えるから、図示の如くスワールが形成され、良好な燃焼が得られる。この場合、吸気通路２５を図４（ハ）の如く二分割して、吸気通路２５ｂをエンジン低速域では閉鎖弁２６により閉鎖しておくと、より強いスワールを形成する事ができる。又、一般にロータリピストン機関ではサイドハウジングに吸気通路を備えているが、これは高速域では吸気効率が低下する。これを解決するには図４（ニ）の如くローターハウジング内周面に開口する吸気通路３０を更に備え、エンジンの高速域ではアクチュエーターにより高速制御弁３１を開く様にすれば良い。エンジンの低速域では図示の状態から高速制御弁３１を閉じると、ローターハウジング内周面に近接する近接面３２（０．１ｍｍ位の微小ギャップを以って近接する）を有する構造によりローターのアペックスシールが通過してもその前後が連通状態とならないから、過大なオーバーラップは防がれ、燃焼が安定化する。以上は本発明のみならず、従来のロータリピストン機関にも実施できるものである。
尚、高速制御弁３１はスイング式であるが、図２（ハ）の如くスライド式でも良い。
【００１０】図３においてはノッキングを回避する為、冷却した排ガスを導入する事もできる。
即ち図５において、排ガス冷却器２８（例えば多管型水冷式）によって十分に冷却した排ガスをエンジンの高負荷域では導入弁２９を開いて吸気通路２４内へ導入し、作動室４内へ吸入させるのであり、これにより高圧縮比でもノッキングを防ぐ事ができる（中負荷域でも導入弁２９を開いてＮＯｘ低減を図っても良い）。この場合、吸気絞り弁２７の開度を調整する事により吸気通路２４内へ導入する排ガス量を制御する事ができる。尚、点火プラグ１６は４個以上とする事が望ましい。
【００１１】一般に２サイクル機関では低負荷域においては多量の残留ガスにより不整燃焼が発生し、熱効率が大幅に悪化する。これを解決するには予混合圧縮着火燃焼を採用する事が最善である。即ち、図６（イ）において、この２サイクル機関ではピストンなどの潤滑を４サイクル機関と同様とする為に、排気弁３４，掃気弁３９，掃気ポンプ４０（例えばルーツブロワ）を備えており、ピストン下死点前の所定のクランク角度で先ず排気弁３４が開き、若干遅れて掃気弁３９が開いて掃気ポンプ４０からの掃気（空気）によりシリンダー内が掃気され、ピストン上昇行程においては先ず排気弁３４が閉じ、若干遅れて掃気弁３９が閉じる様になっている（各弁は図示しないカムによって、駆動される）。図６（ロ）は図６（イ）を上方から見た図であるが。燃焼室３５の周囲はスキッシュ部Ｓとなっており、燃焼室３５には掃気弁３９が備えられ、３点以上の火花ギャップ（３個以上の点火プラグ３６）が臨んでいる（掃気弁３９と排気弁３４とを入れ替えて排気弁３４を燃焼室３５に備えても良い）。
点火プラグ３６は３点以上の多点着火方式となるから、燃焼期間が飛躍的に短縮化され、着火時期を大幅に遅らせて（上死点又はそれ以降とする事も可能）ＮＯｘを低減させ、ノッキングの心配がないから１２〜１４位の高圧縮比を採用する事ができる。エンジンの低負荷域では吸気絞り弁４１により吸入吸気を制限して（又は、可変速手段により掃気ポンプ４０の回転を下げて）多量の既燃ガスをシリンダー内に留まる様にする事ができるから、１２〜１４位の高圧縮比の効果と相まって圧縮端温度が非常に高くなり、容易に予混合圧縮着火燃焼（均質な混合気を用いるＨＣＣＩ燃焼が望ましい）を引き起す事ができる。これは超希薄燃焼であるから（点火プラグでは着火燃焼不可）、不整燃焼は解消され、ＮＯｘの発生も殆どない。エンジンの中・高負荷域では図１と同様に図示しないＥＣＵの指令により火花点火燃焼に切り換えられる。この領域ではシリンダー内残留ガスが減少しており、点火プラグによる良好な燃焼が得られ、着火時期が大幅に遅角化されているから、２サイクル機関特有の内部ＥＧＲの効果と相まってＮＯｘ発生は低く抑えられる。
図６（ハ）は掃気弁３９ａ、３９ｂの閉時期に差を設けたもので、例えば掃気弁３９ａは下死点後７０℃Ａで閉、掃気弁３９ｂは下死点後３０℃Ａで閉とし、従ってエンジンの低負荷域では閉鎖弁４２を全閉とすると掃気弁３９ａ、３９ｂは全体として見れば下死点後３０℃Ａで閉としたものに等しくなるから、高圧縮比（例えば１８）となり、ＨＣＣＩ燃焼をより容易に引き起す事ができる。閉鎖弁４２を全開とすれば掃気弁３９ａ、３９ｂは全体として見れば下死点後７０℃Ａで閉としたものに等しく、従って圧縮比は低下し（例えば１３）、ノッキングは起らない。図６（ニ）は掃気弁３９の上流側にリード弁４７を有するバイパス路４６を備えたもので、エンジンの低負荷域では閉鎖弁４４をアクチュエター４５により閉じておくとリード弁４７により逆流が防がれ（掃気弁３９を下死点で閉じたのと同等）、高圧縮比となるからＨＣＣＩ燃焼をより容易に引き起す事ができる。閉鎖弁４４を開くと逆流が可能となるので、圧縮始めは掃気弁３９が閉じた時点となり、低圧縮比となってメッキングを防ぐ。尚、図６（イ）では排気弁３４、掃気弁３９をロッカーアームを用いるなどして同一のカム軸で駆動する様にし、掃気弁３４の開時期及び掃気弁３９の閉時期を適切に選んで例えば有効膨張比を１８、有効圧縮比を１３としておけば、エンジンの低負荷域でカム軸の位相を移動させる事により（開閉時期を早める）有効圧縮比を１５位まで高圧縮比化できるので、ＨＣＣＩ燃焼をより容易に引き起す事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による高効率ロータリピストン機関の図。
【図２】本発明の各種実施例を示す図。
【図３】本発明による高効率ロータリピストン機関の図。
【図４】作動室内にスワールを形成させる吸気通路を有するロータリ機関の図。
【図５】冷却した排ガスを再吸入させるロータリピストン機関の図。
【図６】排気弁、掃気弁を有する２サイクル機関を示す図。
【符号の説明】１はローター、２はローターハウジング、３はサイドハウジング、４は作動室、５・６・１８・２０・２４・２５・２５ａ・２５ｂ・３０・３３は吸気通路、７・２７は吸気絞り弁、８・２１は吸気制御弁、９・１５・４３・４５はアクチュエーター、１０は燃料噴射弁、１１は排気通路、１２は触媒コンバーター、１３・２３は排ガス再吸入路、１４・２２は排ガス制御弁、１６は点火プラグ、１７はＥＣＵ、１９は吸気制御弁、２６は閉鎖弁、２８は排ガス冷却器、２９は導入弁、３２は高速制御弁、３４は排気弁、３５は燃焼室、３６は点火プラグ、３７は燃料噴射弁、３８は掃気通路、３９・３９ａ・３９ｂは掃気弁、４０は掃気ポンプ、４１は吸気絞り弁、４２は閉鎖弁、４４は閉鎖弁、４６はバイパス路、４７はリード弁、Ｓはスキッシュ部である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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